Many natural computational problems in computer science, mathematics, physics, and other sciences amount to deciding if two objects are equivalent. Often this equivalence is defined in terms of group actions. A natural question is to ask when two objects can be distinguished by polynomial functions that are invariant under the group action. For finite groups, this is the usual notion of equivalence, but for continuous groups like the general linear groups it gives rise to a new notion, called orbit closure intersection. It captures, among others, the graph isomorphism problem, noncommutative PIT, null cone problems in invariant theory, equivalence problems for tensor networks, and the classification of multiparty quantum states. Despite recent algorithmic progress in celebrated special cases, the computational complexity of general orbit closure intersection problems is currently quite unclear. In particular, tensors seem to give rise to the most difficult problems. In this work we start a systematic study of orbit closure intersection from the complexity-theoretic viewpoint. To this end, we define a complexity class TOCI that captures the power of orbit closure intersection problems for general tensor actions, give an appropriate notion of algebraic reductions that imply polynomial-time reductions in the usual sense, but are amenable to invariant-theoretic techniques, identify natural tensor problems that are complete for TOCI, including the equivalence of 2D tensor networks with constant physical dimension, and show that the graph isomorphism problem can be reduced to these complete problems, hence GI$\subseteq$TOCI. As such, our work establishes the first lower bound on the computational complexity of orbit closure intersection problems, and it explains the difficulty of finding unconditional polynomial-time algorithms beyond special cases, as has been observed in the literature.


翻译:计算机科学、数学、物理学及其他科学领域中的许多自然计算问题可归结为判定两个对象是否等价。这种等价性通常由群作用定义。一个核心问题是:何时两个对象可被群作用下不变的多项式函数所区分?对于有限群,这对应通常的等价概念;但对于连续群(如一般线性群),则引出一类新概念,称为轨道闭包交集。该框架涵盖了图同构问题、非交换多项式恒等式检验、不变量理论中的零锥问题、张量网络的等价性问题,以及多体量子态的分类等。尽管近期在若干著名特例中取得了算法进展,但一般轨道闭包交集问题的计算复杂性仍不甚明晰。特别地,张量往往引致最困难的问题。本研究从复杂性理论视角系统探讨轨道闭包交集问题。为此,我们定义了复杂度类TOCI以刻画一般张量作用下轨道闭包交集问题的计算能力;提出适用于不变量理论技术的代数归约概念,该概念蕴含通常意义的多项式时间归约;识别出TOCI的若干自然完备张量问题,包括具有恒定物理维度的二维张量网络等价性问题;并证明图同构问题可归约至这些完备问题,即GI⊆TOCI。由此,本研究首次为轨道闭包交集问题的计算复杂性建立了下界,并解释了为何超越特例的无条件多项式时间算法难以构建——这一现象已在文献中被广泛观察到。

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